LÄMPÖ JA ENERGIA

TULOSTETTAVA PDF

1. LÄMPÖ JA LÄMPÖTILA

2. LÄMPÖ SIIRTYY

3. LÄMPÖLAAJENEMINEN

4. ENERGIA SIIRTYY JA SÄILYY

5. ENERGIALÄHTEET

4 ENERGIA VARASTOITUU, SIIRTYY JA SÄILYY

Energian säilyminen

Energia liittyy kaikkiin luonnonilmiöihin ja ilmiöiden hyväksi käyttöön. Energia tai oikeastaan energiavarat ovat julkisen keskustelun yleisin fysiikan käsite. Kaikki tuotanto ja koko maailman talous riippuvat energiasta. Energian riittävyys on ihmiskunnan elinkysymys.

Luonnonilmiöissä energiaa varastoituu, siirtyy tai muuntuu lajista toiseen. Energiaa kulkeutuu kappaleiden ja aineen mukana niiden liikkuessa, aaltoliike ja säteily kuljettavat energiaa ja lämpöenergia siirtyy johtumalla siihen suuntaan, missä on kylmempää. Energian kokonaismäärä kuitenkin säilyy muuttumattomana kaikissa ilmiöissä. Energiaa ei synny eikä häviä. Tämä on kaikkia luonnon ilmiöitä koskeva energian säilymislaki.

Energian säilymislaki: Energiaa ei synny eikä häviä

Energialajit luokitellaan sidottuihin ja vapaisiin. Vapaa energia voidaan valjastaa käyttämään ihmiselle hyödyllisiä prosesseja. Vapaita energioita ovat mm. liike-, säteily- ja lämpöenergia. Sidottu energia on  ikään kuin varastossa, josta se on vapautettava ennen kuin sitä voidaan käyttää hyväksi. Esimerkiksi ruokaan on sitoutunut kemiallista energiaa joka voidaan ruuansulatuksen ja siihen liittyvien monimutkaisten prosessien avulla muuttaa ihmisessä lämmöksi ja liike-energiaksi. Maasta tietylle korkeudelle nostetulla kivellä on asema- eli potentiaalienergiaa. Kun kivestä päästää irti kiven nopeus alkaa kasvaa.

Energialajien muuntumista toisiksi eri ilmiöissä havainnollistetaan energiakaaviolla. Kaaviossa on kaksi lohkoa, jotka esittävät energian eri lajien määriä tarkasteltavan ilmiön alku- ja lopputilanteessa. Vasen lohko vastaa alkutilaa, oikea lopputilaa. Kutakin energialajia esittää ruutu, jonka korkeus kuvaa energian määrää. Prosesseja, jotka muuntavat energiaa lajista toiseksi esitetään nuolen kärjellä. Energian säilyminen ilmenee siten, että lohkot kokonaisuudessaan ovat yhtä korkeat.

Osa auringon säteilyenergiasta muuntuu vihreiden kasvien fotosynteesissä kemialliseksi energiaksi. Samalla sitä absorboituu kasveihin lämmöksi

Yhteyttämisessä auringon säteilyenergiaa sitoutuu kemialliseksi energiaksi


Erilaisissa palamisprosesseissa kemiallinen energia muuntuu lämpöenergiaksi, joka lopulta säteilee lämpösäteilynä takaisin avaruuteen.

Puun kemiallista energiaa vapautuu puuta poltettaessa. Syntyy valoa ja lämpöenergiaa.

Kun omena nostetaan maasta, osa lihasten kemiallisesta energiasta muuntuu omenan potentiaalienergiaksi. Potentiaalienergia tarkoittaa, että kappaleella on maan pintaan nähden energiaa ja kappale voi esimerkiksi pudota. Energia­kaavion alkulohkoon merkitään lihasten kemiallinen energia ja loppulohkoon laukun potentiaalienergia. Nuolen kärkeen merkitään nosto tai nostotyö kuvaamaan ilmiötä. Työ on siis energian siirtoa.

Omenaa nostettaessa lihaksissa olevaa kemiallista energiaa muuttuu omenan potentiaalienerergiaksi.

Kappaletta työnnettäessä tai vedettäessä kosketusvuorovaikutus siirtää energiaa työntäjästä tai vetäjästä kappaleeseen. Kappaleeseen vaikuttavan voiman tekemä työ ilmaisee siirtyvän energian.

Liike-energia

Kun potkit potkulaudalle lisää vauhtia, lihasten kemiallista energiaa siirtyy sinun ja laudan liike-energiaksi. laudan liikkuessa erilaiset vastusvoimat pyrkivät hidastamaan liikettä. Liike-energiaa kuluu koko ajan ilmanvastuksen ja tien renkaisin kohdistamien voimien voittamiseen. Tie ja ilma lämpenevät näissä prosesseissa, vaikka käytännössä lämpenemistä ei huomaa. Jotta haluttu nopeus säilyisi on maan pintaa potkittava jatkuvasti.

Jos laudan kyytiin mahtuisi kaksi henkilöä, olisi saman nopeuden aikaansaamiseen käytettävä lihasten kemiallista energiaa huomattavasti enemmän. Mitä suuremman nopeuden laudalla haluaa sitä enemmän lihasten kemiallista energiaa joutuu käyttämään.

Liikkuvalla kappaleella on liike-energiaa, jonka suuruus riippuu kappaleen massasta ja nopeudesta.

Ihminen saa liikkumiseen tarvittavan energian ravinnosta. Liikkeelle lähdettäessä esimerkiksi omenan kemiallista energiaa muuttuu liike-energiaksi.

Potentiaalienergia

Laskuvarjohyppääjä viedään lentokoneella ylös, jotta hyppääjä voisi hypätä alas. Ylösmeneminen edellyttää, että lentokoneen bensiiniin sitoutunutta kemiallista energiaa vapautetaan koneen moottoreissa ja saadaan kone nousemaan. Osa tästä kemiallisesta energiasta on siis siirtynyt laskuvarjohyppääjän potentiaalienergiaksi. Mitä korkeammalle hyppääjä viedään tai mitä suurempi on hyppääjän massa, sitä enemmän kemiallista energiaa tarvitaan. Kun hyppy alkaa, potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi. Hyppääjä saavuttaa nopeasti tietyn rajanopeuden, koska ilmanvastus kasvaa nopeuden kasvaessa. Ilmanvastus aiheutuu siitä, että hyppääjä hankautuu jatkuvasti ilman rakenneosasiin. Tämä hankaus saa ilman lämpenemään samalla tavalla kuin käsiä yhteen hangattaessa kädet lämpenevät. Potentiaalienergiaa muuttuu siis ilman lämpöenergiaksi. Lämpenemine  on niin vähäistä, että sitä ei pysty havaitsemaan.

Potentiaalienergia on myöhempää käyttöä varten varastoitua energiaa, jonka suuruus riippuu kappaleen massasta ja asemasta (korkeudesta).

Omenan pudotessa sen potentiaalienergiaa muuttuu liike-energiaksi.

Kemiallinen energia

Kun nostat palloa, lihaksesi tekevät työtä. Tarvitsemansa energian lihakset saavat ravinnosta. Ravintoon varastoitunutta energiaa kutsutaan kemialliseksi energiaksi, jonka ihmisen elimistö muuttaa ihmisen tarvitsemiksi energiaa kuluttaviksi toiminnoiksi, kuten hengittämiseksi, liikkumiseksi ja nostamiseksi. Käytännössä puhutaan lihaksiin varastoituneesta energiasta.

Yhteyttämisessä kasveihin sitoutuu auringon säteilyenergiaa Sanotaan, että kasvit varastoivat säteilyenergiaa. Yhteyttämisreaktiossa ilman hiilidioksidi ja kasvin maasta ottama vesi reagoivat siten, että syntyy sokerimolekyylejä. Säteilyenergia on siis varastoitunut kasvin rakenneosissa oleviin kemiallisiin yhdisteisiin. Kun kasvi, esimerkiksi puu poltetaan, vapautuu kemiallisiin yhdisteisiin sitoutunut energia. Puuta poltettaessa syntyy jälleen hiilidioksidia ja vettä.

Kemiallinen energia on kemiallisiin yhdisteisiin sitoutunutta tai varastoitunutta energiaa. Yhdisteitä on mm.  kasveissa, lihaksissa öljyssä, kivihiilessä ja paristoissa.

Tutkimuksia liike- ja potentiaalienergiasta sekä kemiallisesta ja lämpöenergiasta

Koe 1.  Marmorikuulien liike-energia

Välineet
- isoja ja pieniä marmorikuulia
- puupala tai tyhjä tulitikkulaatikko

Seuraavia kokeita varten pyöritä paperista putki, jonka avulla sinun helppo suunnata kuula oikeaan osoitteeseen. Suuntaa putki ja aseta kuula putkeen vierimään. Nopeutta saat säädeltyä vaihtelemalla putken kaltevuutta eli korkeutta, jolta kuula lähtee liikkeelle.

Aseta puupala lattialle. Vieritä marmorikuula hiljaa kohti puupalaa.
Mitä havaitset? Kokeile eri nopeuksilla. 
Mistä ilmiö johtuu?

Ota raskaampi kuula, ja toista edelliset kokeet.
Mitä havaitset?
Mistä ilmiö johtuu?

(VASTAUS)

Koe 2.  Marmorikuulien potentiaalienergia

Välineet
- marmorikuulia
- marmorikuulan kokoisia puuhelmiä tai paperipalloja
- vettä astiassa

Pudota marmorikuula eri korkeuksilta veteen.
Mitä havaitset?
Mistä ilmiö johtuu?Pudota marmorikuula ja puuhelmi samalta korkeudelta veteen.
Mitä havaitset?
Mistä ilmiö johtuu?

(VASTAUS)

Koe 3. Perunaparisto

Välineet
- 3 -5 raakaa perunaa
- sinkkinauloja
- kuparinauloja
- johtimia hauenleukoineen (klemmari tai teippikin käy kiinnitykseen)
- pienijännitteiden LED (1,7 -1,9 V)

Työnnä sinkki- ja kuparinaulat kolmeen perunaan kuvan mukaisesti. Kytke johtimella keskimmäisen perunan kuparinaula sinkkinaulaan ja sinkkinaula kuparinaulaan. Yhdistä reunimmaisten perunoiden naulat ledin jalkoihin. Jos led ei pala, vaihda lediin tulevat johtimet keskenään. Jos led ei vieläkään pala, lisää kytkentään neljäs peruna.
Mitä tapahtuu, Miksi?

( VASTAUS )

Koe 4. Liikkeestä lämpöä  

Hiero käsiäsi yhteen. Taputa käsiäsi yhteen. 
Mihin muotoon lihastesi kemiallinen energia muuttuu?

Nouse tuolille seisomaan.
Mihin muotoon lihastesi kemiallinen energia nyt muuttuu?

Nouse tuolille ja hyppää lattialle nopeasti 20 kertaa peräkkäin.
Mihin muotoon lihastesi kemiallinen energia nyt muuttuu?

(VASTAUS)

Energian säilyminen ympäristön ilmiöissä

Sähkövirralla siirretään energiaa

Lähes kaikki kotona, kouluissa ja elinkeinoelämässä tarvittava energia saadaan sähkövirran välityksellä. Sähkövirralla voidaan siirtää energiaa pitkienkin matkojen päähän ilman suurta energianhukkaa. Siksi on mahdollista sijoittaa turvallisuussyistä suuret hiili- ja ydinvoimalaitokset kauaksi asutuskeskuksista ja siirtää energia sähkövirran avulla voimalaitoksista energian kuluttajille.

Sähköllä siirretään energiaa myös pienessä mittakaavassa. Paristo ja siihen kytketty lamppu muodostavat taskulampussa yksinkertaisen virtapiirin. Hehkulamppu tuottaa hehkuessaan lämpöä 93 % ja valoa 7 %. Energia on peräisin paristossa tapahtuvista kemiallisista reaktioista.

Pariston ja lampun muodostamasta suljetusta virtapiiristä piirretään energiakaavio seuraavan kolmivaiheisen ohjeen mukaisesti.

1. Paristo syöttää virtapiiriin energiaa. Energia on peräisin paristossa tapahtuvista kemiallisista reaktioista.

2.Lamppu tuottaa hehkuessaan valoa ja lämpöä.

3. Energiakaavioon merkitään nuoli ositaamaan, että energiaa siirtyy sähkövirran välityksellä.

Auton liike-energiaa

Vanhanmallinen auto saattaa olla massaltaan yhtä suuri kuin formula-auto. Formulaautolla on kuitenkin huomattavasti suurempi liike-energia, koska sen nopeus on suurempi.

Vesivoimala

Vesivoimalassa sähköntuotanto perustuu veden potentiaalienergiaan. Mitä korkeammalta vesi putoaa, sitä enemmän sillä on turbiiniin osuessa liike-energiaa. Virratessaan vesi pyörittää turbiinia ja turbiini puolestaan generaattoria. Generaattori synnyttää sähkövirtaa.

Tuulivoimala

Tuulivoimalassa sähkötuotanto perustuu tuulen liike-energiaan.

Sähkön tuottaminen lämmön avulla

Polttoaineita, kuten hiiltä, turvetta, öljyä, kaasua jne. polttamalla  kuumennetaan vettä, joka höyrystyy. Liikkuva höyry saa turbiinin ja edelleen generaattorin pyörimään ja tuottamaan sähköä.

Ydinvoima toimii pääosin samalla tavalla. Ydinpolttoainetta eli uraania ei polteta, vaan uraaniatomeja törmäytellään, jolloin ne halkeavat. Atomiytimen halkeamisessa vapautuu paljon lämpöä, jolla vesi kuumennetaan höyryksi.

Meteori hankautuu ilmaa vasten

Hankaus kuumentaa kappaleita.  Syöksyessään Maan ilmakehään meteori menettää liike-energiaa, koska se hankautuu ilmakehän yläkerroksiin niin voimakkaasti, että se alkaa lämmetä ja hehkua. Hehkuvan kiven lähettämä valo nähdään tähdenlentona. 

Energian määrä ja kulutus

Energian yksikkö on joule (1 J). Joule on varsin pieni määrä, joten usein käytetään yksikkönä kilojoule (kJ) eli 1000 joulea.

Ravintoaineissa oleviin kemiallisiin yhdisteisiin on varastoitunut kemiallista energiaa. Seuraavassa ravintoannoksia , joiden energiasisältö on 400 kilojoulea (400 kJ).
1  kuppi kahvia kermalla ja sokerilla
2  ruokalusikallista sokeria
1  paistettu muna
1  iso lasi maitoa
35 grammaa juustoa
1  iso lasi kokista
1  suklaapatukka
50 grammaa pihviä
6  perunalastua
5  ranskanperunaa
1  jäätelöpuikko 

Vastaavasti ihminen kuluttaa energiaa puolessa tunnissa seuraavasti:

rauhallinen hiihto 1400 kJ
jalkapallo 1100 kJ
rivakka soutu  1500 kJ
pyöräily  1100 kJ
uinti (krooli)  1700 kJ
hölkkä 1400 kJ
kävely  600 kJ

Energiakäsitteen historiaa

Energian käsite on fysiikassa usean vuosisadan kehityksen tulos. Galilei tutki 1500- luvulla kappaleiden liikettä. Hän sai tuloksia, jotka vastaavat mekaanisen energian säilymislakia. Sen mukaan kappaleella on liike-energiaa ja potentiaalienergiaa, jotka muuttuvat toisikseen kappaleen liikkuessa painovoiman alaisena.

Lämpö on energian toinen historiallinen lähtökohta. Englantilainen Brook Taylor tutki 1700-luvun alussa lämpötilan muuttumista, kun erilämpöisiä nesteitä sekoitetaan. Skotlantilainen Joseph Black tulkitsi 1760-luvulla Taylorin tulokset esittämällä, että lämpömäärä säilyy lämpöilmiöissä ja että kullakin aineella on sille ominainen kyky varastoida lämpöä eli ominaislämpökapasiteetti.

Liikettä ja lämpöä tutkittiin aluksi erillisinä ilmiöinä, joilla ei ollut yhteyttä toisiinsa. Lämpöä ja mekaanista energiaa yhteisesti koskevan energian säilymislain esitti saksalainen Julius Mayer vuonna 1842. Laki tunnetaan kuitenkin Joulen lakina. Englantilainen James Joule tutki lämpö-energiaa perusteellisesti vuosina 1840...1850.  Hän määritti ensimmäisenä lämmön ja mekaanisen energian vastaavuuden.

Myöhemmin yleisen energiaperiaatteen piiriin liitettiin myös kemialliset, sähkömagneettiset ja valo-opilliset ilmiöt. Kaikki energian lajit yhdistävän yleisen säilymislain esitti saksalainen Hermann von Helmholtz vuonna 1847.

Kun aineen atomirakenne saatiin selville kaikki energialajit palautuivat mekaaniseksi energiaksi. Ne ovat kappaleiden tai hiukkasten liike-energiaa, kuten lämpö, ja niiden vuorovaikutusten potentiaalienergiaa, kuten kemiallinen energia tai ydinenergia. Yleinen energian säilymislaki siis palautuu muotoon: liike-energian ja potentiaalienergian summa säilyy muuttumattomana.

Merkittävän lisän energian käsitteen luonteeseen toi Albert Einstein. Hänen suppeamman suhteellisuusteoriansa (1905) mukaisesti massa m voidaan käsittää energiaksi E = mc 2. Kappaleen massa koostuu rakenneosasten lepomassoista ja liike-energioista sekä niiden vuorovaikutusten potentiaalienergioista. Tällä tavoin myös kaikki aine kytkeytyy samaan energian käsitteeseen ja energian säilymislakiin.

1. Laadi energiakaavio, joka esittää energian siirtymistä ja muuntumista seuraavissa tilanteissa: a) Kynä putoaa pulpetilta. b) Lauk­ku nostetaan pöydälle. c) Teevettä kei­tetään liedellä. d) Kynttilän palaa pöy­dällä. e) Käsiä hangataan yhteen.

2. Selvitä energian reitti Auringosta vesivoimalaitoksen kautta teeveden lämmöksi. Esitä tilanteesta energiakaavio.

3. Esitä vapaan luonnon ilmiöitä, joissa a) sitoutuu, b) vapautuu 1) energiaa. Esitä ilmiöistä energiakaavio.

4. Pohdi millaisissa jokapäiväisissä tilanteissa sinulla on liike-energiaa ja missä tilanteissa potentiaalienergiaa.

(VASTAUKSIA)

Koe 1.  Marmorikuulien liike-energia

Mitä havaitset? Kokeile eri nopeuksilla. 
Mitä korkeammalta marmorikuulan päästää pyörimään, sitä suuremman nopeuden se saa ja sitä enemmän puupala liikahtaa kuulan törmätessä siihen.
Mistä ilmiö johtuu?
Kokeen perusteella voidaan päätellä, että vierivällä marmorikuulalla on sitä enemmän liike-energiaa, mitä suuremmalla nopeudella se liikkuu. Tulkintojen tekemistä vaikeuttaa se, että marmorikuulan liike-energiaa muuttuu törmäyksessä useaksi muuksi eri energiamuodoksi, mm. ääneksi ja puupalan liike-energiaksi. Energiaa kuluu myös muodonmuutoksiin.

Ota raskaampi kuula, ja toista edelliset kokeet.
Mitä havaitset?
Mitä raskaampi kuula, sitä enemmän puupala liiakhtaa.
Mistä ilmiö johtuu?
Kokeen perusteella voidaan päätellä, että vierivällä marmorikuulalla on sitä enemmän liike-energiaa, mitä suurempi on kuulan massa. Tässäkin kokeessa tulkintojen tekemistä vaikeuttaa se, että marmorikuulan liike-energiaa muuttuu törmäyksessä useaksi muuksi eri energiamuodoksi.

Kun havainnot yhdistetään, voidaan päätellä, että kappaleen liike-energian suuruuteen vaikuittavat kappaleen massa ja nopeus.

Koe 2.  Marmorikuulien potentiaalienergia

Pudota marmorikuula eri korkeuksilta veteen.
Mitä havaitset?
Mitä korkeammalta kuulan pudottaa, sitä enemmän vesi roiskuu. 
Mistä ilmiö johtuu?
Mitä korkeammalta kappaleen pudottaa, sitä enemmän sillä on liike-energiaa. Tulkintojen tekemistä vaikeuttaa se, että törmäyksessä energiaa muuttuu useaksi muuksi eri energiamuodoksi, mm. ääneksi ja vesipisaroiden liike- ja potentiaalienergiaksi.

Pudota marmorikuula ja puuhelmi samalta korkeudelta veteen.
Mitä havaitset?
Mitä raskaamman kuulan pudottaa, sitä enemmän vesi roiskuu. 
Mistä ilmiö johtuu?
Mitä suurempi on kappaleen massa, sitä enemmän sillä on potentiaalienergiaa. Tulkintojen tekemistä vaikeuttaa se, että törmäyksessä energiaa useaksi muuksi eri energiamuodoksi, mm. ääneksi ja vesipisaroiden liike- ja potentiaalienergiaksi.

Koe 3. Perunaparisto

Mitä tapahtuu, Miksi?
Ledi alkaa hehkua. Kemiallista energiaa muuttuu valoenergiaksi.

Koe 4. Liikkeestä lämpöä  

Hiero käsiäsi yhteen. Taputa käsiäsi yhteen. 
Mihin muotoon lihastesi kemiallinen energia muuttuu?
Syntyy lämpöenergiaa ja äänienergiaa

Nouse tuolille seisomaan.
Mihin muotoon lihastesi kemiallinen energia nyt muuttuu?
Lihasten kemiallista energiaa muuttuu potentiaalienergiaksi ja lämpöenergiaksi.

Nouse tuolille ja hyppää lattialle nopeasti 20 kertaa peräkkäin.
Mihin muotoon lihastesi kemiallinen energia nyt muuttuu?
Lihasten kemiallista energiaa muuttuu lattian lämpöenergiaksi.

2. Vesi haihtuu Auringon lämmön vaikutuksesta  järvistä tai merestä. Ilmassa vesi tiivistyy sadepilviksi. Osa vedestä sataa padon yläpuolella oleville alueille ja päätyy joen yläjuoksun kautta patoon. Padosta virtaava vesi pyörittää turbiinia, joka puolestaan pyörittää generaattoria. Veden virtaus siirretään sähkövirran avulla taloon. Talossa teenkeitin kytketään pistorasiaan. Sähkövirta lämmittää teenkeittimen lämpövastuksen. 

3. a) Energiaa sitoutuu yhteyttämisessä ja veden kiertokulussa. Kun puuta poltetaan vapautuu energiaa.

4. Pyörällä ajettaessa pyörällä on liike-energiaa. Kun pyörä on mäen päällä, sillä on potentiaalienergiaa. Keinussa keinun potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi ja päinvastoin